بخشی از مقاله
چکیده
جلوگیري از وقوع ناپایداري (سرج، استال، فلاتر و) در کمپرسورها یکی از مهمترین دغدغه هاي سازندگان آنهاست .رفتار کمپرسور درکارکرد ناپایدار، بسیار دینامیک و غیرخطی بوده و باعث نوسان شدیدمشخصه هاي جریان عبوري با فرکانس بالا میشود .این نوسانات در حالت سرج تا برگشت جریان در کمپرسور پیش رفته و تنشهاي بسیار شدیدي در پره هاي کمپرسور بوجود می آورند .بدین ترتیب، ناپایداریها به عنوان عاملی مخرب در کمپرسور شناخته میشوند. علاوه بر این ورود کمپرسور به حوزه ناپایداریها کاهش قابل توجه بازده و کارایی را همراه دارد .در این مقاله، روشی بر مبناي کنترل فعال کمپرسور گریز از مرکز در جهت جلوگیري از وقوع پدیده سرج ارائه شده است. پس از معرفی کمپرسورهاي گریز از مرکز و نحوه کار آنها، پدیده سرج در کمپرسورهاي گریز از مرکز مورد مطالعه قرار گرفته . علل، مشخصه ها و نتایج بروز پدیده سرج مرور شده و سپس بیشینه روشهاي کنترل سرج بیان شده است. در نهایت با توجه به نقصان روشهاي موجود، کنترل فعال به عنوان رهیافتی موثر جهت کنترل سرج معرفی شده است. به سراغ طراحی کنترلر رفته و پس از معرفی انواع مدهاي کنترلی، کنترلر PID به عنوان کنترلري که قابلیت اعمال به اکثر سیستمهاي کنترل با مدل ریاضی نامعلوم را دارد، میناي کار جهت طراحی مدار کنترل فعال قرار میگیرد. سپس بر پارامترهاي کنترلر مذکور بر اساس قواعد زیگلر- نیکولس تنظیم میشود.با توجه به طراحی کنترلر سرج طراحی مذکور در نرم افزار MATLAB شبیه سازي شده و نتایج ارائه میشود.
واژههاي کلیدي: پدیده سرج، کمپرسور گریز از مرکز ، کنترل فعال
-1 مقدمه
کمپرسورها یکی از انواع تجهیزات دوار مورد استفاده در صنایع فرآیندي هستند. ازکمپرسورها براي فشرده کردن گازها استفاده می شود. درحقیقتکمپرسورها وسایلی هستند که با صرف انرژي مکانیکی فراوانی، گاز را با سرعت به درون خود مکیده و سپس آنرا فشرده می سازند. در اثر این عملیات، دماي گاز نیز افزایش می یابد. معمولا گاز پر فشار خروجی از کمپرسور ها را از یک سیستم خنک کننده عبور می دهند تا دماي گاز دوباره به حد معمولی باز گردد. انواع گوناگونی از کمپرسور وجود دارد که براي مصارفصنعتی و خانگی طراحی شده اند. [1]
رفتار کمپرسور درکارکرد ناپایدار، غیرخطی بوده و باعث نوسان شدید مشخصه هاي جریان عبوري با فرکانس بالا میشود .این نوسانات در حالت سرج تا برگشت جریان در کمپرسور پیش رفته و تنشهاي بسیار شدیدي در پره هاي کمپرسور بوجود می آورند. وقوع سرج در کمپرسورهاي سانتریفیوژ اغلب با مشخصه هایی همراه می باشد که رایج ترین این مشخصه ها عبارتند از: معکوس شدن سریع فلوي خروجی کمپرسور، نوسانات شدید فشار، افزایش سریع دماي گاز عبوري و همچنین دماي داخلی کمپرسور، ارتعاشات بیش از حد کمپرسور و سرو صدا و نویز زیاد. [2]عوامل متعددي می توانند موجب بروز سرج شوند. بالا بودن فشار در هدر خروجی در زمان به خط زدن یک کمپرسور، کاهش فلوي کمپرسور ، افزایش فشار در هدر خروجی ، کاهش فشار گاز ورودي به کمپرسور، تغییرات در جرم مولکولی سیال ، کاهش سریع دور، از مهمترین عواملی هستند که در بروز سرج دخالت دارند.[1]
بدین ترتیب، ناپایداریها به عنوان عاملی مخرب در کمپرسور شناخته می شوند. علاوه بر این ورود کمپرسور به حوزه ناپایداریها کاهش قابل توجه بازده و کارایی را همراه دارد و از آنجایی که کمپرسورهاي سانتریفیوژ، اجزاي گران و اصلی اکثر فرایند هاي تقویت فشار سیالات گازي شکل هستند، حفاظت از این دارائی پر ارزش از آسیبهایی که به سبب سرج اتفاق می افتد، بسیار ضروریست. هدف از این مقاله، طراحی سیستم کنترل فعالی براي جلوگیري از بروز سرج به منظور حفاظت از کمپرسورها در مقابل اثرات مخرب سرج میباشد که این سیستم کنترل توسط نرم افزار Simulink پیاده سازي می شود [3]
-2 کنترل سرج
دو روش براي کنترل سرج در کمپرسورها ،وجود دارد:
روش اول: طراحی کمپرسورهاي بهینه و مجهز نمودن آنها به سیستم کنترل سرعت روش دوم: به کار بردن تکنیکهاي کاهش سرج نظیر استفاده از شیر آنتی سرج[4]
روش کنترل سرعت بر این اساس عمل میکند که با پایین آوردن دور، می توان از خط سرج فاصله بیشتري گرفت. البته این روش، روش کارآمدي براي کارکرد کمپرسور نیست. ضمن اینکه کاهش سرعت، ممکن است بقدر کافی سریع نباشد که بتواند جلوي سرج رابگیرد. براي این منظور میتوان از سیستمهاي آشکارساز ابتدایی که بر اساس شمارش نوسانات فشار خروجی یا شمارش دور خروجی کار می کنند، استفاده نمود.[5] روش دوم که مورد توجه ترین روش می باشد با برگشت دادن مقداري از فلوي خروجی کمپرسور به ورودي آن از طریق شیري به نامشیرکنترل آنتی سرج یا شیر گردش داخلی صورت می پذیرد. در این روش، با کاهش فلو و نزدیک شدن نقطه کار به خط سرج، سیگنالی از کنترلر سرج به شیر آنتی سرج فرستاده شده و سبب می شود که شیر به آهستگی باز شده و قدري به فلو بیفزاید. عیب این روش در اینست که باز شدن شیر در زمان کار عادي کمپرسور سبب اتلاف انرژي می شود. بنابراین باید سعی شود تا آنجا که امکان دارد در عین حال که ریسک رفتن به سرج کم می شود، از باز کردن شیر گردش داخلی نیز، جلوگیري شود. این شیر باید علاوه بر زمان کار عادي کمپرسور، در زمانهاي راه اندازي و توقف نیز از سرج جلوگیري کند.[3] در زمان راه اندازي، شیر آنتی سرج بمانند یک شیر باي پس، جریان گاز خروجی کمپرسور را به ورودي آن برگشت می دهد. چرا که در شروع راه اندازي، خروجی کمپرسور از پایین دست خود ایزوله است و قبل از آنکه گاز فشرده شده بتواند بسمت پایین دست برود باید کمپرسور به یک فشار یا هد معینی برسد. وقتی که فشار خروجی به حد کافی رسید ارتباط کمپرسور با پایین دست خود برقرار شده و گاز به سمت پایین دست، جریان یافته و همزمان، شیر آنتی سرج بسته شده و سیستم بطور عادي کار خواهد کرد. در حالت توقف عادي، همزمان با کاهش تدریجی دور، فلو نیز کاهش می یابد. اما در حالت توقف اضطراري، به یکباره آنتی سرج می بایست هد کمپرسور را کاهش دهد. در این مقاله، هدف استفاده از شیر آنتی سرج است. در این روش براي کنترل سرج از نرم افزار Simulink استفاده می شود. [5]
-3 سنسورهاي وقوع پدیده سرج
سرج پدیده ایست که خیلی سریع اتفاق می افتد بنابراین براي داشتن یک کنترل مناسب روي این پدیده باید توجه خاصی نیز به ابزارهاي اندازه گیري در پروسه شود. زیرا این ابزارها هستند که نقطه کار کمپرسور را مشخص می کنند. اندازه گیریهاي کلیدي در سیستم کنترل سرج، شامل اندازه گیري میزان فلو گاز عبوري از کمپرسور، فشارساکشن و دیسشارژ و همچنین دماي گاز میباشند که توسط ترانسمیترها صورت می گیرند. انتخاب و کالیبراسیون صحیح ترانسمیترها از لحاظ مواردي همچون پاسخ زمانی، درستی و همچنین عدم قطعیت اندازه گیري ، مستقیما در درجه دقت سیستم کنترل سرج و میزان قابلیت آن در آشکارسازي سرج تاثیرگذار است. [1]
در سیستم کنترل سرج، از فلومیترها به منظور مقایسه میزان نزدیکی فلو حقیقی عبوري از کمپرسور با فلوي حداقلی که سرج در آن اتفاق میافتد استفاده می شوند. نکته اي که در نصب کلیه ابزارهاي اندازه گیري فلو کمپرسور باید مد نظر قرار داد این است که این ابزارها باید براي محدوده کاري کامل کمپرسور طراحی شوند و همچنین در جایی نصب شوند که اغتشاشات گاز حداقل باشد. به همین منظور پیشنهاد می شود ابزارهاي اندازه گیري فلو در سمت ساکشن کمپرسور قرار بگیرند زیرا در ورودي کمپرسور، جریان سیال، یکنواخت تر است .ضمنا استفاده از یکنواخت کننده هاي فلو و یا به کارگیري طول مستقیم به اندازه کافی در بالا دست ابزار اندازه گیري فلو نیز راه حل خوبی است. درستی اندازه گیري فشار، عامل مهمی در میزان درستی وسایل اندازه گیري فلو که از اندازه گیرياختلاف فشاراستفاده می کنند می باشد. ضمن این که درستی محاسبه هد نیز وابسته به درستی اندازه گیري فشار می باشد. از متداولترین سنسورهاي اندازه گیري فشار، کپسول ها می باشند که بطور گسترده اي در ترانسمیترهاي اندازه گیر فشار و اختلاف فشار استفاده شده اند. شکل (1) نمونه اي از کپسولهاي احساس فشار را نشان داده است. [6]
شکل((1 کپسول احساس فشار
یکی از موارد اندازه گیري دما، در محاسبه هد کمپرسورها می باشد ضمن این که افزایش سریع دما نیز میتواند به عنوان عاملی براي شناسایی سرج بکار گرفته شود.عمده ترین ابزارهاي اندازه گیري دما که در خطوط ورودي و خروجی کمپرسورها استفاده میشوند و می توان از آن ها خروجی الکتریکی گرفت RTD و ترموکوپلها میباشند. شکل (2) چند نمونه RTD را نشان داده است.
شکل(2) چند نمونه RTD
-4کنترلر PID
